UPS supercondensator: 6 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:43

Pentru un proiect, mi s-a cerut să planific un sistem de alimentare de rezervă care să mențină microcontrolerul în funcțiune la aproximativ 10 secunde după pierderea de energie. Ideea este că în aceste 10 secunde controlerul are suficient timp

• Oprește orice face
• Salvați starea curentă în memorie
• Trimiteți mesajul de pierdere a energiei (IoT)
• Se transformă în modul standby și așteaptă pierderea de energie

Operațiunea normală începe numai după repornire. Există încă unele planificări necesare, care ar putea fi procedura dacă puterea revine în aceste 10 secunde. Cu toate acestea, sarcina mea a fost să mă concentrez asupra sursei de alimentare.

Cea mai simplă soluție ar putea fi utilizarea unui UPS extern sau ceva de genul acesta. Evident, nu este cazul și am avut nevoie de ceva mult mai ieftin și mai mic. Soluțiile rămase folosesc o baterie sau un super condensator. Exact în timpul procesului de evaluare, am văzut un videoclip frumos pe YouTube despre un subiect similar: Link.

După câteva considerații, circuitul super condensator a sunat ca cea mai bună soluție pentru noi. Este puțin mai mică decât bateria (vrem să folosim componente foarte utilizate, deși personal nu sunt sigur dacă motivul dimensiunii este adevărat), necesită mai puține componente (adică este mai ieftin) și cel mai important - sună mult mai bine decât o baterie (consecințe ale lucrului cu non-ingineri).

A fost construită o configurație de testare pentru a testa teoria și pentru a controla dacă sistemele de încărcare a supercondensatorului funcționează așa cum ar trebui.

Acest instructabil arată mai mult ce s-a făcut, mai degrabă decât să explice cum să o faci.

Pasul 1: Descrierea sistemului

Arhitectura sistemului poate fi văzută în figură. În primul rând, 230VAC este convertit la 24VDC, la 5VDC și, în cele din urmă, circuitul microcontrolerului rulează la 3,3V. În cazul ideal, s-ar putea detecta întreruperea alimentării deja la nivelul rețelei (230VAC). Din păcate, nu suntem capabili să facem asta. Prin urmare, trebuie să verificăm dacă puterea este încă acolo la 24VDC. Astfel, nu se pot folosi condensatori de stocare a sursei de alimentare AC / DC. Microcontrolerul și toate celelalte componente electronice importante sunt la 3.3V. S-a decis că, în cazul nostru, șina de 5V este cel mai bun loc pentru adăugarea supercondensatorului. Când tensiunea condensatorului scade încet, microcontrolerul poate funcționa în continuare la 3,3V.

Cerințe:

• Curent constant - Iconst = 0,5 A (@ 5,0V)
• Tensiune minimă (tensiune minimă admisă pe șină 5V) - Vend = 3,0V
• Timpul minim pe care trebuie să-l acopere condensatorul - T = 10 sec

Există mai multe IC-uri speciale de încărcare supercapacitor care pot încărca condensatorul foarte repede. În cazul nostru, timpul de încărcare nu este critic. Astfel, este suficient un circuit de rezistență cu diodă mai simplu. Acest circuit este simplu și ieftin, cu unele dezavantaje. Problema timpului de încărcare a fost deja menționată. Cu toate acestea, principalul dezavantaj este că condensatorul nu este încărcat la tensiunea maximă (cădere de tensiune a diodei). Cu toate acestea, tensiunea mai mică ne poate aduce și unele laturi pozitive.

În curba duratei de viață așteptate a supercondensatorului din figura de date (link) a seriei AVX SCM se poate vedea durata de viață așteptată în funcție de temperatura de funcționare și tensiunea aplicată. Dacă condensatorul are o tensiune mai mică, durata de viață așteptată crește. Acest lucru ar putea fi benefic pentru că ar putea fi utilizat condensator de tensiune mai mică. Acest lucru trebuie încă clarificat.

Așa cum se va arăta în măsurători, tensiunea de funcționare a condensatorului va fi în jur de 4,6V-4,7V - 80% Vrated.

Pasul 2: Circuit de testare

După unele evaluări, super-condensatorii AVX au fost aleși pentru testare. Cele testate sunt evaluate pentru 6V. Aceasta este de fapt prea aproape de valoarea pe care intenționăm să o folosim. Cu toate acestea, în scopul testării este suficient. Au fost testate trei valori diferite ale capacității: 1F, 2,5F și 5F (2x 2,5F în paralel). Evaluarea condensatorilor este următoarea

• Precizie capacitate - 0% + 100%
• Tensiune nominală - 6V

• Piesa producătorului nr -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• Durata de viață - 2000 ore @ 65 ° C

Pentru a potrivi tensiunea de ieșire cu tensiunea condensatorului se utilizează diode de tensiune minimă înainte. În test VdiodeF2 = 0,22V diode sunt implementate împreună cu cele cu curent mare cu VdiodeF1 = 0,5V.

Se folosește un convertor IC simplu DC-DC LM2596. Acesta este un IC foarte robust și permite flexibilitate. Pentru testare au fost planificate diferite sarcini: în principal sarcini rezistive diferite.

Cele două rezistențe paralele de 3.09kΩ paralele cu supercondensatorul sunt necesare pentru stabilitatea tensiunii. În circuitul de testare, supercondensatorii sunt conectați prin comutatoare și dacă niciunul dintre condensatori nu este conectat, tensiunea poate fi prea mare. Pentru a proteja condensatoarele, o diodă Zener de 5.1V este plasată paralel cu ele.

Pentru încărcare, rezistorul de 8,1 kΩ și LED-ul asigură o anumită sarcină. S-a observat că, în condiții de lipsă de sarcină, tensiunea poate merge mai mult decât se dorea. Diodele pot provoca un comportament neașteptat.

Pasul 3: Calcule teoretice

Ipoteze:

• Curent constant - Iconst = 0,5A
• Vout @ pană de curent - Vout = 5.0V
• Tensiunea de încărcare a condensatorului înainte de diode - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5,0 + 0,5 = 5,5V
• Tensiunea de pornire (Vcap @ întreruperea alimentării) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7V
• Vout @ pană de curent - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4V
• Vcap minim - Vcap_min = Vend VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• Timpul minim pe care trebuie să-l acopere condensatorul - T = 10 sec

Timpul de încărcare a unui condensator (teoretic): Tcharging = 5 * R * C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

Pentru condensatorul 1F este R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 +? +? = 27ohm

Dacă C = 1.0F, Tcharging = 135 sec = 2.5 minuntes

Dacă C = 2.5F, Tcharging = 337 sec = 5.7 minuntes

Dacă C = 5.0F, Tcharging = 675 sec = 11 minuntes

Din ipotezele, putem presupune că puterea constantă este de aproximativ: W = I * V = 2,5W

Într-un condensator, se poate stoca o anumită cantitate de energie: W = 0,5 * C * V ^ 2

Din această formulă, capacitatea ar putea fi calculată:

• Vreau să desenez x wați pentru t secunde, de câtă capacitate am nevoie (link)? C = 2 * T * W / (Vstart ^ 2 - Vend ^ 2) = 5.9F
• Vreau să desenez x Amperi pentru t Secunde, de câtă capacitate am nevoie? C = I * T / (Vstart-Vend) = 4.55F

Dacă alegem valoarea condensatorului să fie 5F:

• Cât timp va dura încărcarea / descărcarea acestui condensator cu un curent constant (Link)? Tdischarge = C * (Vstart-Vend) / I = 11,0 sec
• Cât timp va dura încărcarea / descărcarea acestui condensator cu o putere constantă (W)? T descărcare = 0,5 * C * (Vstart ^ 2-Vend ^ 2) / W = 8,47 sec

Dacă utilizați o încărcare Rc = 25ohm, curentul de încărcare ar fi

Și timpul de încărcare aproximativ: Tcharging = 625 sec = 10,5 minute

Pasul 4: Măsurători practice

Au fost testate diferite configurații și valori ale capacității. Pentru a simplifica testarea, a fost construită o configurație de testare controlată Arduino. Schemele sunt prezentate în figurile anterioare.

Au fost măsurate trei tensiuni diferite, iar rezultatele se potrivesc relativ bine cu teoria. Deoarece curenții de sarcină sunt mult mai mici decât valoarea diodei, căderea de tensiune înainte este ușor mai mică. Cu toate acestea, după cum se poate observa, tensiunea super condensatorului măsurat se potrivește exact cu calculele teoretice.

În figura următoare, se poate vedea o măsurare tipică cu condensator 2.5F. Timpul de încărcare se potrivește bine cu valoarea teoretică de 340 sec. După 100 de secunde suplimentare, tensiunea condensatorului a crescut doar 0,03V suplimentar, ceea ce înseamnă că diferența este neglijabilă și se află în intervalul de eroare de măsurare.

În figura de mai sus, se poate vedea că, după întreruperea alimentării, tensiunea de ieșire Vout este VdiodeF2 mai mică decât tensiunea condensatorului Vcap. Diferența este dV = 0,23V = VdiodeF2 = 0,22V.

Un rezumat al timpilor măsurați poate fi văzut în tabelul atașat. După cum se poate observa, rezultatele nu se potrivesc exact cu calculele teoretice. Timpii măsurați sunt în mare parte mai buni decât cei calculați, ceea ce înseamnă că unii paraziți rezultați nu au fost luați în considerare în calcule. Când priviți circuitul construit, puteți observa că există mai multe puncte de conexiune nu bine definite. În plus, calculele nu iau în considerare comportamentul de încărcare - atunci când tensiunea scade, curentul scade. Cu toate acestea, rezultatele sunt promițătoare și sunt în intervalul așteptat.

Pasul 5: Unele posibilități de îmbunătățire

S-ar putea îmbunătăți timpul de funcționare dacă se folosește un convertor boost în locul diodei după supercondensator. Am considerat că, cu toate acestea, prețul este mai mare decât o diodă simplă.

Încărcarea supercondensatorului printr-o diodă (în cazul meu două diode) înseamnă cădere de tensiune și care ar putea fi eliminată dacă se folosește un IC special de încărcare a condensatorului. Din nou, prețul este principala preocupare.

Alternativ, un comutator lateral înalt ar putea fi utilizat împreună cu un comutator PNP. O soluție de gândire rapidă poate fi văzută în cele ce urmează. Toate comutatoarele sunt controlate printr-o diodă zener alimentată de la intrarea de 24 V. Dacă tensiunea de intrare scade sub tensiunea zenerului diodei, comutatorul PNP se aprinde, iar celelalte comutatoare laterale superioare se dezactivează. Acest circuit nu este testat și cel mai probabil necesită componente suplimentare (pasive).

Pasul 6: Concluzie

Măsurătorile se potrivesc destul de bine cu calculele. Arătând că se pot utiliza calculele teoretice - surpriză-surpriză. În cazul nostru special, este nevoie de puțin mai mult de 2,5 F condensator pentru a furniza o cantitate suficientă de energie pentru perioada de timp dată.

Cel mai important, circuitul de încărcare a condensatorului funcționează conform așteptărilor. Circuitul este simplu, ieftin și suficient. Există unele dezavantaje menționate, cu toate acestea, prețul redus și simplitatea compensează acest lucru.

Sperăm că acest mic rezumat poate fi util pentru cineva.